半潛式修井平臺火氣探測系統控制邏輯設計要點

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(大連船舶重工集團有限公司，大連 116005)

鉆/修井平臺作為開采海洋石油和天然氣的主要海工裝備，如何保障、提高其安全性一直是各界的研究重點。火氣探測系統是鉆/修井平臺的關鍵安全系統，它可以探知火災的發生和可燃氣體、有毒氣體的泄漏及擴散，然后發出報警。火氣系統報警可觸發消防系統動作，并將報警信號發給應急切斷系統，以切斷某些關聯設備，避免助燃火災、引爆可燃氣體或危險氣體彌散，從而提高平臺的安全性[1]。火氣探測系統基本都是根據國際海事組織、船級社和相關國際組織的規范規則進行設計，已經具備成熟的技術方案和很多的應用實例。在火氣探測系統的技術和應用領域，雖然目前對探測原理、設備布置、信號接口等技術點已經有較多論述，但是對于如何根據平臺的防火分隔、消防系統配備等實際情況來設計安全可靠的火氣探測系統控制邏輯卻鮮有介紹。本文以一型半潛式修井平臺為例，分析了火氣探測系統控制邏輯的設計方法和關鍵點。

1 系統構成

該平臺采用兩浮體、四立柱、雙層甲板箱形式，將在巴西、墨西哥灣等溫和海域作業，最大作業水深2 400 m，最大鉆井深度8 500 m，入ABS船級社，取得DPS-3船級符號，是一型以修井為主、鉆井為輔的新型半潛平臺。該平臺的火災探測系統采用Autronica SIL2 AutroSafe系統，配備了2個控制板和1個延伸板，可尋址探測器回路接入相應控制板/延伸板，2個控制板通過冗余AutroNET網絡進行數據同步。氣體探測系統采用西門子SIL2 PCS7系統，配備了1個控制機柜和1個遠程I/O機柜，通過冗余Profibus DP總線連接，氣體探測器使用24VDC 4～20 mA信號反饋探測結果。在平臺的中控室和集控室分別設有3臺安全工作站，通過冗余以太網與氣體探測系統和火災探測系統連接。這3臺工作站不僅可以實時監控平臺火氣報警、火氣系統運行狀態、火氣因果邏輯執行，還可以對報警確認消音和執行某些手動干涉操作。火氣探測系統架構見圖1。

圖1 火氣探測系統架構

2 控制邏輯

火氣探測系統控制邏輯是根據每個平臺的功能、布局分隔、安全級別、設備配置等具體情況而設計的預設邏輯。火氣探測系統收到現場探測器的反饋信號后，會根據該預設邏輯進行分析判斷，然后執行一系列動作指令，如發出報警、觸發消防系統、將報警信號發給應急切斷系統以切斷某些關聯設備等。該控制邏輯通常以“火氣探測系統因果矩陣”的形式體現在設計文件中。

2.1 火氣報警區劃分

平臺發生火災或危險氣體泄漏后，為了避免助燃火災、引爆可燃氣體或危險氣體彌散，火氣探測系統按照預設邏輯，將發生火氣報警的區域和可能遭受影響區域的報警信號發給應急切斷系統，然后應急切斷系統會切斷與這些區域相關的通風設備、電氣設備以及油泵等其他設備。為此，合理劃分火氣報警區對火氣探測系統非常重要，在設備采購成本可承受的前提下，應該盡量細化報警分區，減少某一個艙室的火氣報警對其他正常艙室的影響，降低對平臺正常生產和船員生活的干擾[2]。

2.1.1 火災報警區劃分

火災報警區劃分需要集合艙室失火風險、危險區劃分、防火分隔、消防系統保護區、通風系統布局等多種因素綜合考慮。下文將以該型修井平臺為例，逐一舉例說明上述要素對火災報警區劃分的影響。

1)根據國際海上人命安全公約(SOLAS)，廚房為第12類失火危險處所，具有較大失火風險[3]。為此，廚房應單獨定義為一個火災報警區，而不應將廚房與餐廳等周圍低失火風險處所劃分到一個報警區。

2)振動篩室作為1類危險區，存在較大爆炸、失火風險，而且危險區處所通常都有獨立的通風系統，可以單獨切斷，應單獨定義為一個火災報警區。

3)除了根據毗鄰處所不同失火風險而設計相應的艙壁/甲板絕緣等級外，本平臺為了滿足DP3分隔要求，對于不同DP組或主、備用DP控制站之間也設置A60分割。如圖2所示，備用DP控制室與健身房和走廊之間采用A60分割，該房間為最高安全等級，應該單獨定義為一個火災報警區。

圖2 備用DP控制室防火分隔布置示意

4)為了保護某些重要的控制處所和設備艙室，通常會為這些處所配備壓力水霧、高壓二氧化碳、低倍泡沫等不同類型的固定式消防系統[4]。該型修井平臺高壓配電盤室設計有水噴淋消防系統，在水噴淋釋放前，應提前切斷并隔離該艙室內防護等級低于IP44的電氣設備和相關通風設備。為了便于切斷邏輯設計，需要將高壓配電盤室定義為一個單獨火災報警區，與消防系統保護區對應。

5)新鮮空氣的輸入是助燃火災的主要因素，切斷火災處所的通風設備是抑制火災的有效措施。如圖3所示，中心倉庫和橡膠倉庫之間采用套管而不是風閘，以致這2個房間的風管是聯通的，無法實現有效隔離。同時結合2個倉庫的面積和探頭數量，最終將中心倉庫和橡膠倉庫共同定義為一個火災報警區。如果發生火災，將切斷中心倉庫與走廊之間的風閘，同時切斷兩個倉庫的供風和回風。

圖3 中心倉庫和橡膠倉庫風管布置示意

2.1.2 氣體報警區劃分

氣體探測器主要布置在某些可能泄露可燃氣體或有毒氣體的處所，以及艙室的進風口處。氣體報警區與火災報警區的劃分原則基本相似，但是對于安裝在艙室進風口處的氣體探測器，在劃分其對應的氣體報警區時，需要額外考慮氣體擴散規律[5]和臨近進風口的距離。如果幾個艙室進風口在相同氣體擴散范圍內，而且距離較近，可以將這幾個艙室區域合并到一個氣體報警區內。

2.2 火氣報警表決

為了提高系統準確性，避免誤報警，火氣探測系統應根據探測器類型合理設計報警表決邏輯。所謂表決，即在一個火氣報警區內，當N個同種探測器中有M個同時發出報警(M≤N)，則認定該報警區確實發生了火災或氣體泄漏[6]。表決設定通常以語句MooN表示(Mout ofN)。如果同時報警的探測器數量小于設定值M，則該報警被認定為未確認的火氣報警，僅會在火災探測控制板和安全工作站上顯示警示信息，不會觸發任何實際的報警和切斷。

2.2.1 火災報警表決

根據設計經驗和火氣系統廠家推薦，該型修井平臺的普通火災探測器的表決設定為M=2；感溫探測器的可靠性高，手動呼叫按鈕是人為觸發，為此它們的表決設定為M=1，火災報警表決邏輯見表1。如果某個報警區內的火災探測器故障，或者處于維修旁路狀態，導致總數量N=1，則表決邏輯自動轉換為1oo1；如果報警區內的火災探測器全部無法工作，則火災探測控制板和安全工作站上會顯示報警。

表1 火災報警表決邏輯

2.2.2 氣體報警表決

本平臺氣體探測器包括碳氫探測器、氫氣探測器和硫化氫探測器。前兩種探測的是可燃氣體，后一種探測的是有毒氣體。由于氣體特性不同，各種探測器報警的濃度設定值也不同。對于表決，當一個氣體報警區內2個或2個以上同種探測器同時達到濃度高報警，則認定確實發生了氣體泄漏，詳見表2。根據船東要求和平臺作業地區法規，不同項目的報警的濃度設定值可能略有不同。若由于故障或維修導致正常工作的氣體探測器數量減少，則表決邏輯的變化與上文火災報警邏輯變化情況相同。

表2 氣體報警表決邏輯

2.3 消防系統聯動

消防系統是平臺抑制火災的重要手段，火氣探測系統與消防系統聯動可以使消防系統根據火氣報警自動、快速地起動/釋放，減少響應時間，提高消防救援效率[7- 8]。該型修井平臺的消防系統有消防泵、水霧滅火系統、水噴淋滅火系統、泡沫滅火系統和雨淋系統，除了消防保壓泵由綜合自動化系統(IAS)根據現場傳感器信號自動控制調速外，其他設備和子系統都可以根據火氣報警信號自動起動/釋放。該型修井平臺典型消防系統聯動控制邏輯見表3。

表3 消防系統因果邏輯矩陣

注：“X”表示某個原因導致的結果立即執行。“D”表示延時，如果主泵啟動失敗，30 s后自動啟動備用泵。

2.4 火氣報警信號輸出

火氣探測系統除了按照火氣報警區劃分和控制邏輯將報警信號發送給應急切斷系統外，還會將火氣報警信號直接發送到廣播/通用報警系統、直升機甲板狀態燈和安全控制板等設備，用聲音和燈光警示船員平臺出現了火災或氣體泄漏的緊急情況[9]。當然，此時發出的報警信號都是經過表決確認或人工確認的火氣報警。如果火氣探測系統產生了一個未確認的報警信號，船員在2 min內沒有確認此報警信號，則未確認的火氣報警將自動轉換成確認的火氣報警[10]，并按此輸出報警信號和切斷信號。

3 結論

“安全”是工業生產永恒的主題，每次安全標準升級的背后都有一個慘痛的安全事故教訓。隨著科學技術的發展和生產經驗的豐富，船東和石油公司對鉆/修井平臺火氣探測系統的安全性、可靠性和智能化提出了越來越高的要求。本文根據實際海工平臺設計經驗，對火氣報警區域劃分、火氣報警表決、消防系統聯動和火氣報警信號輸出4項火氣探測系統控制邏輯設計要點進行了分析、總結，并歸納出通用設計方法。這些要點可以廣泛應用到鉆井平臺、采油平臺、FPSO等海工裝備的火氣探測系統設計中，對提高系統自動化程度和安全性具有積極意義。對于某些項目的個性化特殊要求，也可以在本文基礎上進行升級、增強。目前，“智能船舶”不僅是商船的研究重點，也已經成為海工裝備的未來發展方向，如何提高火氣探測系統的智能化水平，仍需進一步深入研究。此外，在火氣探測系統設計過程中，必須時刻秉承“安全第一”的理念，除了遵從規范規則的要求外，更需要從實際生產的角度思考問題。

[1] 張峰，馮傳令.火氣系統在海洋石油工業中的應用研究[J].石油化工自動化，2009(3):20- 22.

[2] 董海杰，李彤.浮式生產儲油船(FPSO)消防系統設計[J].船海工程，2012，41(4):33- 37.

[3] IMO. International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].IMO，2014.

[4] 船舶消防指南[S].北京：中國船級社，1999.

[5] 鄧海發，陳國明，朱淵，等.海洋鉆井平臺硫化氫井噴擴散規律[J].安全與環境學報，2010(10)：177- 180.

[6] 黃菲菲.浮式生產儲油船(FPSO)火災和可燃氣體探測系統的設計及優化改進[J].船舶，2005(8)：30- 35.

[7] 鄧忠彬,羅小昌,李浩,等.海洋平臺修井機火氣系統基本設計[J].船海工程，2015(5):5- 8.

[8] 彭彬，向晶晶，張沖.主機房火災隱患管理和持續改進[J].船海工程，2014(5):83- 86.

[9] 楊雄.自升式鉆井平臺火氣系統設計[J].船舶工程，2013(增刊2)：194- 202.

[10] IMO. International Code for Fire Safety Systems [S].IMO，2010.